DE60025355T2 - STRAIN GAUGES - Google Patents
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Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL TERRITORY
Die Erfindung betrifft ein beispielsweise bei einem Drucksensor oder einer Messdose zu verwendendes Verspannungsmessgerät.The The invention relates to an example in a pressure sensor or a load cell to be used.
STAND DER TECHNIKSTATE OF TECHNOLOGY
Herkömmlich wurde ein Dünnschichtverspannungsmessgerät bei einem Automobildrucksensor, einem Drucksensor zum Messen von Druck oder einer Last, einer Messdose und dergleichen verwendet.Became conventional a thin film strain gauge at a Automobile pressure sensor, a pressure sensor for measuring pressure or a load, a load cell and the like used.
Genauer ist ein Dünnschichtverspannungsmessgerät auf einer unmittelbar auf dem Metalldiaphragma eines Drucksensors oder dem Trägerelement einer Messdose bereitgestellten isolierenden Schicht ausgebildet, und wird zur Druckmessung usw. verwendet.More accurate is a thin film strain gauge on one directly on the metal diaphragm of a pressure sensor or the support element formed insulating layer provided a load cell, and is used for pressure measurement, etc.
Ein
Fall bei dem ein Verspannungsmessgerät in einem Drucksensor verwendet
wird, ist nachstehend unter Bezugnahme auf die
Wenn
gemäß
Aufgrund
des vorstehend beschriebenen Aufbaus führt eine beliebige Änderung
bei dem Druck (der Verspannung) auf dem Diaphragma
Somit
führt eine
Verformung des Diaphragmas
Gemäß
Somit ändern sich
die in
Die vorstehend beschriebenen bekannten Techniken bringen jedoch die nachstehend angeführten Probleme mit sich.The However, the known techniques described above bring the problems listed below with himself.
Die für das Material für die Messinstrumentschicht erforderlichen Haupteigenschaften zum Erzielen einer Verbesserung bei der Leistungsfähigkeit und den Eigenschaften eines derartigen Drucksensors oder dergleichen sind wie folgt: (1) kleiner Temperaturkoeffizient des Widerstandes (nachstehend mit TCR bezeichnet), (2) eine hohe Dehnungsempfindlichkeit (K-Faktor), (3) ein hoher spezifischer Widerstand, (4) eine geringe Änderung des Widerstands mit der Zeit, (5) Unabhängigkeit der Dehnungsempfindlichkeit von der Temperatur usw.The for the Material for the meter layer required main features to Achieving an improvement in performance and properties of such a pressure sensor or the like are as follows: (1) small temperature coefficient of resistance (below with TCR), (2) a high strain sensitivity (K-factor), (3) a high resistivity, (4) a slight change resistance with time, (5) independence of strain sensitivity from the temperature etc.
In Anbetracht dessen wurde ein Metallverspannungsmessgerät beispielsweise aus NiCr in die praktische Verwendung genommen. Als Ergebnis der Verbesserung bei den verschiedenen Leistungsfähigkeiten von Fahrzeugen und anderen Geräten, bei denen der Drucksensor oder dergleichen verwendet wird, stieg jedoch die Nachfrage für eine Verbesserung bei der Leistungsfähigkeit und den Eigenschaften von verschiedenen Teilen und Sensoren, und für die im Stand der Technik verwendeten Materialien ist es schwierig, diese Nachfrage zu erfüllen.In view of this, a metal strain gauge made of, for example, NiCr has been put to practical use. However, as a result of the improvement in the various performances of vehicles and other devices using the pressure sensor or the like, the demand for improvement in the performance and the characteristics of various has increased NEN parts and sensors, and for the materials used in the prior art, it is difficult to meet this demand.
Wenn beispielsweise ein Siliziumhalbleiter für das Messinstrumentmaterial verwendet wird, das eine hohe Dehnungsempfindlichkeit von ungefähr mehreren Zehn aufweist, zeigt dies eine hohe Empfindlichkeit bezüglich einer Druckänderung, und erweist sich somit als effektives Material. Sein TCR ist jedoch recht groß, und seine Linearität ist unzulänglich, so dass es für eine genaue Messung nötig ist, eine spezielle Vorrichtung zur Temperaturkompensation bereitzustellen.If For example, a silicon semiconductor for the meter material is used, which has a high strain sensitivity of about several Having ten, this shows a high sensitivity to a Pressure change, and thus proves to be effective material. His TCR is however pretty big, and his linearity is inadequate, so it for a precise measurement needed is to provide a special device for temperature compensation.
Für eine Verwendung als Messinstrumentmaterial weist ein beispielsweise aus einer Legierung der NiCr-Art oder einer Legierung der CuNi-Art bestehendes Metallmaterial einen geringen TCR auf (einige bis einige Hunderte ppm/K). Andererseits weist es eine geringe Dehnungsempfindlichkeit von ungefähr 2 auf, was zu einer geringen Empfindlichkeit gegenüber einer Druckänderung führt.For a use as a meter material has, for example, an alloy NiCr type or CuNi type alloy metal material a low TCR (several to several hundreds ppm / K). on the other hand it has a low strain sensitivity of about 2, resulting in a low sensitivity to a pressure change leads.
Als Messinstrumentmaterial mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit wurde ein Chrommaterial (mit einer Dehnungsempfindlichkeit von ungefähr 10) untersucht. Aufgrund seiner schlechten Ausgabetemperaturcharakteristik (TCR, usw.) wurde es jedoch noch nicht in die praktische Verwendung genommen.When Instrument material with a high strain sensitivity was a chromium material (with a strain sensitivity of about 10) was examined. Due to its poor output temperature characteristic (TCR, etc.), however, it has not yet been put to practical use.
Auf diese Weise wird bei der Auswahl eines Materials mit einem geringen TCR eine geringe Dehnungsempfindlichkeit mit einbezogen. Andererseits bezieht die Auswahl eines Materials mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit einen großen TCR mit ein. Somit war es im Stand der Technik unmöglich, gleichzeitig eine hohe Dehnungsempfindlichkeit und einen kleinen TCR zu erzielen.On This way is used when choosing a material with a low TCR included a low strain sensitivity. on the other hand refers to the selection of a material with a high strain sensitivity a big TCR with one. Thus, it was impossible in the prior art, at the same time a high strain sensitivity and a small TCR.
Von diesem Standpunkt aus wurde ebenfalls ein Metalldünnschichtverspannungsmessgerät vorgeschlagen, bei dem ein Widerstand aus einer Fe-Cr-Al-Legierungsdünnschicht durch Verdampfung, Zerstäuben oder dergleichen in eine Schicht als der Widerstand eines Metalldünnschichtmessgerätes ausgebildet ist (vergleiche beispielsweise die Druckschrift JP-A-137804 (1994)).From From this point of view, a metal thin film strain gauge has also been proposed, wherein a Fe-Cr-Al alloy thin-film resistor by evaporation, Atomize or The like is formed into a layer as the resistance of a metal thin-film meter is (see for example the document JP-A-137804 (1994)).
Selbst bei diesem Verspannungsmessgerät war jedoch die Dehnungsempfindlichkeit noch immer eher gering. Somit gab es eine Nachfrage für ein Verspannungsmessgerät mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit und einem verringerten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes.Even with this strain gauge However, the strain sensitivity was still rather low. Consequently there was a demand for a tension measuring device with a high strain sensitivity and a reduced temperature coefficient of resistance.
Darüber hinaus
offenbart die Druckschrift
Die
Druckschrift
Die
Druckschrift
Schließlich offenbart
die Druckschrift
Die Erfindung erfolgte zur Lösung des vorstehenden Problems im Stand der Technik. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verspannungsmessgerät mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit und einem verringerten Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) bereitzustellen, um dadurch eine Verbesserung bezüglich der Leistungsfähigkeit zu erzielen.The Invention was for solution the above problem in the prior art. It's up to you underlying, a strain gauge with a high strain sensitivity and a reduced temperature coefficient of resistance (TCR) to provide an improvement in terms of capacity to achieve.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verspannungsmessgerät gemäß den beigefügten Patentansprüchen gelöst.According to the invention this Problem solved by a stress measuring device according to the appended claims.
Das erfindungsgemäße Verspannungsmessgerät umfasst insbesondere eine geschichtete Struktur, die eine aus einem positiven TCR-Material ausgebildete erste Schicht und eine aus einem negativen TCR-Material ausgebildete zweite Schicht beinhaltet. Die erste und zweite Schicht umschließen sandwichartig eine Zwischenschicht. Die erste Schicht ist aus einem Material ausgebildet, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstandes positiv ist, und die zweite Schicht ist aus einem Material ausgebildet, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstandes negativ ist, und die Zwischenschicht ist zur Vermeidung von wechselseitigen Diffusionen der jeweiligen Materialien der ersten und zweiten Schicht bereitgestellt.The comprises tension measuring device according to the invention in particular a layered structure, one of a positive TCR material formed first layer and one of a negative TCR material formed second layer includes. The first and enclose second layer sandwiched an intermediate layer. The first layer is one Material formed whose temperature coefficient of resistance is positive, and the second layer is formed of a material whose temperature coefficient of resistance is negative, and the Interlayer is to avoid mutual diffusion of the respective materials of the first and second layers.
Selbst falls zum Erzielen eines Anstiegs in der Dehnungsempfindlichkeit des Verspannungsmessgerätes als Ganzes Materialien mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit als Materialien zum Ausbilden der ersten und zweiten Schicht ausgewählt werden, ist es somit möglich, den Temperaturkoeffizienten des Widerstands des Verspannungsmessgerätes als Ganzes zu reduzieren, da die Materialien einen positiven bzw. negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweisen. Zudem stellt aufgrund der geschichteten Struktur jede Schicht eine Grenzflächenwirkung bereit, um dadurch die Dehnungsempfindlichkeit weiter zu erhöhen. Die erste Schicht ist vorzugsweise aus einem kristallinen Metallmaterial ausgebildet, und die zweite Schicht ist vorzugsweise aus einem amorphen Material ausgebildet. Die zweite Schicht ist vorzugsweise aus Tantal ausgebildet.Even if to increase the strain sensitivity of the tension measuring device as a whole materials with a high strain sensitivity than Materials for forming the first and second layers are selected is it thus possible the temperature coefficient of the resistance of the tension measuring device as Whole to reduce, because the materials have a positive or negative Have temperature coefficient of resistance. It also provides due to the layered structure, each layer has an interface effect ready to thereby further increase the strain sensitivity. The The first layer is preferably made of a crystalline metal material formed, and the second layer is preferably made of an amorphous Material formed. The second layer is preferably tantalum educated.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSUMMARY THE DRAWING
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNGBEST EMBODIMENT TO EXECUTE THE INVENTION
Bevorzugte Ausführungsbeispiele und Beispiele der Erfindung sind nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es ist angemerkt, dass die Dimensionen, Materialien, Konfigurationen, positionelle Beziehungen usw. der in den Ausführungsbeispielen und Beispielen angegebenen Bestandteile nicht als den in den beigefügten Patentansprüchen spezifizierten Erfindungsbereich beschränkend zu verstehen sind.preferred embodiments and examples of the invention are exemplified below Reference to the drawing closer described. It should be noted that the dimensions, materials, Configurations, positional relations, etc. in the embodiments and examples of specified ingredients are not as specified in the appended claims Restricting scope of invention to be understood.
Zudem
ist das Verspannungsmessgerät
gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung auf verschiedene gutbekannte Sensoren oder ähnliches
anwendbar, abgesehen von dem vorstehend im Zusammenhang mit dem
Stand der Technik unter Bezugnahme auf die
Verspannungsmessgeräte gemäß den Ausführungsbeispielen
der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die
Die
Zunächst ist
das in
Gemäß der Zeichnung
ist ein Verspannungsmessgerät
Das
Verspannungsmessgerät
Diese geschichtete Struktur stellt einen Grenzflächeneffekt zwischen den jeweiligen Schichten bereit, so dass ein Anstieg bei der Dehnungsempfindlichkeit erwartet werden kann.These layered structure provides an interface effect between the respective Layers ready, causing an increase in strain sensitivity can be expected.
Ferner werden bei dem vorliegenden Beispiel Material mit positiven TCR und ein Material mit negativen TCR zusammengestapelt, so dass selbst falls ein Material mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit für jede Schicht ausgewählt wird, es möglich ist, den TCR des Verspannungsmessgerätes als Ganzes zu verringern.Further in the present example, material with positive TCR and a material stacked together with negative TCR, leaving itself if a material with a high strain sensitivity for each layer selected it becomes possible is to reduce the TCR of the strain gauge as a whole.
Das
heißt,
wenn ein Material mit einer hohen Dehnungsempfindlichkeit als das
Material für
die erste Schicht
Dabei
wird ein Material mit einer angemessenen Dehnungsempfindlichkeit,
deren TCR negativ und groß ist,
als das Material für
die zweite Schicht
Durch
Kombinieren und Zusammenstapeln der ersten Schicht
Somit
erlaubt das Verspannungsmessgerät
Desweiteren
seien die jeweiligen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes der
ersten Schicht
Wenn geeignete Materialien ausgewählt werden, ermöglicht diese Gleichung die Steuerung des TCR-Wertes.If suitable materials selected become possible this equation controls the TCR value.
(Ausführungsbeispiele)(Embodiments)
Nachstehend
ist das in
Während das
in
Das
Verspannungsmessgerät
Genauer
ist dieses Verspannungsmessgerät
Die
Zwischenschicht
Der
vorstehend beschriebene Aufbau kann außerdem denselben Effekt wie
der in
Der
Temperaturkoeffizient des Widerstandes des Materials für die Zwischenschicht
Wenn geeignete Materialien ausgewählt werden, ermöglicht diese Gleichung die Steuerung des TCR-Wertes.If suitable materials selected become possible this equation controls the TCR value.
Während bei der vorstehenden Beschreibung geschichtete Strukturen mit zwei oder drei Schichten als Beispiele verwendet werden, wird angemerkt, dass derselbe Effekt ebenfalls durch Anwenden einer geeigneten Multischichtstruktur mit Mehrfachschichten erhalten werden kann.While at the above description layered structures with two or three layers are used as examples, it is noted that the same effect also by applying an appropriate multilayer structure can be obtained with multiple layers.
Beispiele für das Material mit positivem TCR beinhalten ein allgemeines kristallines Metall (Chrom (Cr)), und Beispiele für das Material mit negativem TCR beinhalten ein amorphes Metall (beispielsweise ZrCu).Examples for the Positive TCR materials include a general crystalline one Metal (chromium (Cr)), and examples of the material with negative TCRs include an amorphous metal (eg, ZrCu).
Spezifische Beispiele, bei denen geeignete Materialien gemäß der vorstehenden Ausführungsbeispiele ausgewählt sind, sind nachstehend beschrieben.specific Examples in which suitable materials according to the preceding embodiments selected are described below.
(Beispiel 1)(Example 1)
Nachstehend
ist der Fall beschrieben, bei dem ein Material für die aus einem Material mit
positivem TCR ausgebildete erste Schicht Chrom (Cr) ist, bei dem
das Material für
die aus einem Material mit negativem TCR ausgebildete zweite Schicht
eine Legierung aus Zirkonium und Kupfer (Zr61Cu39 (Atom-%), nachstehend als ZrCu bezeichnet)
ist, die eine amorphe Legierung bildet, und bei dem das Material
für die
als Diffusionsbarrierenmaterial verwendete Zwischenschicht
Zunächst wurden dünne Schichten aus ZrCu, W und Cr in dieser Reihenfolge auf einem Glassubstrat durch einen Zerstäubungsvorgang ausgebildet.At first were thin layers of ZrCu, W and Cr in this order on a glass substrate a sputtering process educated.
Danach wurde eine Au/W-Elektrode durch einen Zerstäubungsvorgang ausgebildet, und eine Wärmebehandlung wurde bei 300°C für vier Stunden in atmosphärischer Umgebung ausgeführt.After that an Au / W electrode was formed by a sputtering process, and a heat treatment was at 300 ° C for four Hours in atmospheric Environment executed.
Dabei betrug die Dicke der ZrCu-Schicht 300 nm, die der W-Schicht 25 nm, und die der Zr-Schicht 10 nm.there the thickness of the ZrCu layer was 300 nm, that of the W layer was 25 nm, and that of the Zr layer is 10 nm.
Der TCR und die Dehnungsempfindlichkeit der somit ausgebildeten geschichteten Lage (des Verspannungsmessgerätes) wurden gemessen.Of the TCR and the strain sensitivity of the thus formed layered Position (of the tension measuring device) were measured.
Der TCR wurde aus Widerstandsmessergebnissen berechnet, die durch ein digitales Multimeter im Bereich von –45° bis 131°C erhalten wurden, und die Dehnungsempfindlichkeit wurde aus der Änderungsrate bei dem Widerstand erhalten, wenn eine Verspannung durch eine Vierpunktbiegung aufgebracht wurde.The TCR was calculated from resistance measurement results obtained by a digital multimeter in the Range of -45 ° to 131 ° C were obtained, and the strain sensitivity was obtained from the rate of change in the resistance when a strain was applied by a four-point bend.
Zudem wurden zum Vergleich die jeweiligen TCR und Dehnungsempfindlichkeiten der Bestandteilmaterialien der geschichteten Lage gemessen.moreover were compared for the respective TCR and strain sensitivities of the constituent materials of the layered layer.
Zum Vergleich wurden ferner der TCR und die Dehnungsempfindlichkeit einer durch Ausbilden einer Dünnschicht (mit 300 nm Schichtdicke) aus Ni78Cr22 (Atom-%) (= Ni80Cr20 (Gewichts-%)) auf einem Glassubstrat durch einen Zerstäubungsvorgang erhaltene Struktur ebenfalls gemessen.Further, for comparison, the TCR and the elongation sensitivity of a structure obtained by forming a thin film (having a film thickness of 300 nm) of Ni 78 Cr 22 (atomic%) (= Ni 80 Cr 20 (% by weight)) on a glass substrate by a sputtering process also measured.
Tabelle 1 zeigt die Messergebnisse.table 1 shows the measurement results.
Tabelle 1 Table 1
Das Symbol G bezeichnet das Glassubstrat.The Symbol G denotes the glass substrate.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, war es möglich, die Dehnungsempfindlichkeit zu erhöhen und den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR) zu verringern, was das Erzielen einer Verbesserung bezüglich der Leistungsfähigkeit ermöglichte.As from Table 1, it was possible to increase the strain sensitivity to increase and reduce the temperature coefficient of resistance (TCR), what about achieving an improvement in performance allowed.
(Beispiel 2)(Example 2)
Nachstehend ist der Fall beschrieben, bei dem die aus einem Material mit positivem TCR ausgebildete erste Schicht aus einer Mehrfachschichtlage aus Chrom (Cr) und Wolfram (W) besteht, und bei dem die aus einem Material mit negativem TCR ausgebildete zweite Schicht aus Tantal (Ta) besteht.below the case is described in which the material of a positive TCR formed first layer of a multi-layer layer Chromium (Cr) and tungsten (W) consists, and in which the one of a material formed with negative TCR second layer of tantalum (Ta) consists.
Zunächst wurde eine Mehrfachschichtlage aus abwechselnd zusammengestapelten Cr- und W-Schichten (bei der fünf Cr-Schichten und vier W-Schichten zur Bildung der ersten Schicht abwechselnd gestapelt sind) auf einem Glassubstrat durch einen Zerstäubungsvorgang ausgebildet. Danach wurde eine Ta-Dünnschicht darauf mit einer Dicke von 154 nm ausgebildet.At first was a multi-layer layer of alternately stacked Cr and W layers (at the five Cr layers and four W layers alternately stacked to form the first layer are formed on a glass substrate by a sputtering process. After that, a Ta thin film was formed formed thereon with a thickness of 154 nm.
Unter Verwendung von Gleichung 1 für den Erhalt des TCR wurde die Dicke jeder Schicht derart eingestellt, dass der TCR ungefähr 40 ppm/K betrug.Under Using Equation 1 for obtaining the TCR, the thickness of each layer was adjusted that the TCR is about 40 ppm / K.
Danach wurde eine Au/W-Elektrode durch einen Zerstäubungsvorgang ausgebildet, und eine Wärmebehandlung wurde in atmosphärischer Umgebung bei 300°C für vier Stunden ausgeführt.After that an Au / W electrode was formed by a sputtering process, and a heat treatment was in atmospheric Environment at 300 ° C for four Hours running.
Der TCR und die Dehnungsempfindlichkeit der somit ausgebildeten geschichteten Lage (des Verspannungsmessgerätes) wurden gemessen.Of the TCR and the strain sensitivity of the thus formed layered Position (of the tension measuring device) were measured.
Das Messverfahren und ähnliches waren dasselbe wie bei Beispiel 1. Ferner wurden wie bei Beispiel 1 die jeweiligen TCR und Dehnungsempfindlichkeiten der Bestandteilmaterialien der geschichteten Lagen ebenfalls gemessen.The Measuring method and the like were the same as in Example 1. Further, as in Example 1 the respective TCR and strain sensitivities of the constituent materials the layered layers also measured.
Tabelle 2 zeigt die Messergebnisse.table 2 shows the measurement results.
Tabelle 2 Table 2
Das Symbol G bezeichnet das Glassubstrat.The Symbol G denotes the glass substrate.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, war eine Erhöhung der Dehnungsempfindlichkeit und eine Verringerung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR) möglich, womit eine Verbesserung bezüglich der Leistungsfähigkeit erzielt wurde.As from Table 2 was an increase in strain sensitivity and a reduction in the temperature coefficient of resistance (TCR) possible, with an improvement regarding the efficiency was achieved.
Gemäß vorstehender Beschreibung weist erfindungsgemäß ein Verspannungsmessgerät eine geschichtete Struktur auf, die eine aus einem Material mit einem positiven TCR ausgebildete Schicht und eine aus einem Material mit einem negativen TCR ausgebildete zweite Schicht beinhaltet, wodurch eine Erhöhung der Dehnungsempfindlichkeit und eine Verringerung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes möglich ist, und somit eine Verbesserung bei der Leistungsfähigkeit erzielt wird.According to the above Description according to the invention has a stress measuring a layered Structure on, the one made of a material with a positive TCR trained layer and one made of a material with a negative TCR formed second layer, thereby increasing the Strain sensitivity and a reduction of the temperature coefficient the resistance is possible and thus an improvement in performance is achieved.
Die erste Schicht ist vorzugsweise aus einem kristallinen Metallmaterial ausgebildet, und die zweite Schicht ist vorzugsweise aus einem amorphen Metall oder Tantal ausgebildet.The The first layer is preferably made of a crystalline metal material formed, and the second layer is preferably made of an amorphous Metal or tantalum formed.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEITCOMMERCIAL APPLICABILITY
Gemäß vorstehender Beschreibung ist das erfindungsgemäße Verspannungsmessgerät zur Verwendung bei einem Automobildrucksensor, einem Drucksensor zur Messung von Druck und Last, einer Messdose usw. geeignet.According to the above Description is the strain gauge according to the invention for use in an automotive pressure sensor, a pressure sensor for measuring Pressure and load, a load cell, etc. suitable.
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